Фізика 11 клас

І. Крузенштерном. Комісія отримала для дослідів бот, що вміщав 12 пасажирів і був розрахований на 10 веслярів.

Спочатку Б. С. Якобі пропонував встановити на боті електродвигун конструкції 1834 p., помістивши його вал упоперек судна, а на кінцях валу розташувати грібні ко­ леса. Проте електродвигун займав дуже багато місця. Б. С. Якобі почав займатися розробкою нової конструкції, що було успішно завершено у 1838 р. (Модель одного елемента такого електродвигуна Якобі (конструкція 1838 р.) наведено на мал. 92). Він замінив положення магнітів і розмістив по 20 двигунів на двох вертикальних валах.

У конструкції знайшла практичне застосування пропозиція Т. Девенпорта, а саме, розташовувати нерухомі і обертальні магніти в одній площині. Не дивлячись на збільшені розміри електродвигуна по вертикалі, його можна було зручно закріпити на судні. Випробування показали, що електродвигун цілком придатний для руху бота, але завдяки живленню струмом від гальванічних батарей вартість проїзду була при­ близно у 25 разів більша від вартості цієї ж роботи, виконуваної паровою машиною. Таким чином, питання про використання електродвигуна виявилося залежним від створення економічного генератора електричної енергії.

` Ì i ` Ê Ü Ì vÊ Ý Ê * Ê `Ê Ì

Ê v À i i Ê v À Ê V i À V >

/ Ê À i Û i Ê Ì Ã Ê Ì V i ] Ê Û

Ü Ü Ü ° V i ° V É Õ V ° Ì

93

Мал. 95

Уперше трансформатор сконструював у 1878 році російський вчений П. М. Яблочков, а на початку XX ст. його вдосконалив професор С. М. Усатий і професор Київського університету М. Й. Доліво-Добровольський. Трансформатор складається із замкненого осердя з феромагнетика, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток з дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують «навантаження», що споживає енергію, називають вторинною (мал. 95).

В основу роботи трансформатора покладено явище електромагнітної індукції. Розглянемо принцип дії трансформатора. Нехай на вхід трансфор­ матора подається змінна напруга. В осерді трансформатора виникає змін­ ний магнітний потік, який пронизує як первинну, так і вторинну обмотки трансформатора. У первинній і вторинній обмотках відповідно виникають ЕРС самоіндукції:

де — кількість витків первинної і вторинної обмоток. Визначимо напруги на вході і виході трансформатора:

де — відповідно опори первинної і вторинної обмоток трансформатора; — сили струмів, які проходять по первинній і вторинній обмотках.

Розглянемо випадок, коли вторинна обмотка розімкнена, тобто (хо­ лостий хід). Технічні трансформатори конструюють так, щоб виконувалась умова тобто обмотки трансформатора мають невеликий активний опір, але велику індуктивність. Поділивши почленно одне на одне рівняння напруг, отримаємо

Це відношення називають коефіцієнтом трансформації k:

` Ì i ` Ê Üv ÌÝ Ê Ê* Ê ÊÊ v À i i Ê v À Ê V

/ Ê À i Û i Ê Ì Ã Ê

Ü Ü Ü ° V i ° V É Õ

Трансформатор перетворює змінний електричний струм так, що відно­ шення сили струму до напруги приблизно однакове в первинній і вторинній обмотках.

За допомогою трансформатора знижують значення сили струму і збіль­ шують напругу під час передавання електричної енергії. Це сприяє зниженню теплових втрат — закон Джоуля — Ленца) . Враховуючи, що потужність сили струму визначається добутком напруги і сили струму, таке зменшення сили струму не змінить переданої потужності.

Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють при напругах у декілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють силу струму напругою від б до 20 кВ.

Перші генератори були створені в 50-х роках X I X ст., а вже в 70-х роках почалося їх промислове виробництво. Тепер рівень виробництва і споживання енергії — найважливіший показник розвитку продуктивних сил суспільства. Головне значення при цьому має електроенергія — найуніверсальніша і найзручніша для використання форма енергії.

Електроенергію в Україні виробляють на таких електростанціях: теплових (ТЕС і ТЕЦ), гідро (ГЕС), атомних (АЕС) і вітрових (ВЕС).

Джерелом енергії на ТЕС і ТЕЦ (теплоелектроцентраль) є вугілля, газ, торф, мазут та ін., на ГЕС — потенціальна енергія води, піднятої греблею, на АЕС — ядерне паливо, розміщене в тепловидільних елементах (ТВЕЛ) ядерного реактора, на ВЕС — енергія вітру.

Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансфор­ матори для підвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях спожи­ вання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (мал. 96).

Сучасна цивілізація неможлива без широкого використання електроенер­ гії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Понад 90 % споживаної людством енергії отримують від спалювання вугіл­ ля, нафти, газу. Для цього використовують теплові електростанції, на яких

Мал. 96

` Ìi`ÊÜ Ì Ê v ÝÊ* Ê ` Ì À Ê

ÊvÀiiÊv ÀÊ V iÀV > ÊÕÃi°

/ ÊÀi ÛiÊÌ ÃÊ Ì Vi]ÊÛ Ã Ì\Ê

ÜÜÜ° Vi °V ÉÕ V ° Ì

хімічна енергія палива перетворюється в електричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води, перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тиску спрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує їх обертатися. Ротор турбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струму перетворює механічну енергію в енергію електричного струму.

Змінний струм від генератора по провідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється в інші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергія електромагнітних коливань пе­ ретворюється у механічну енергію, а в лампах розжарення, в спіралях електронагрівальних приладів електрична енергія змінного струму перетво­ рюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо .

1.З чого складається трансформатор і яке його призначення?

2.Яке фізичне явище покладене в основу роботи трансформатора?

3.Як визначити коефіцієнт трансформації?

4.Де використовують трансформатори?

5.Де виробляється електроенергія і як вона передається до споживача?

` Ìi`ÊÜ Ì vÊ ÝÊ* Ê ` Ì À

ÊvÀiiÊv ÀÊ V iÀV > ÊÕÃi°

/ ÊÀi ÛiÊÌ ÃÊ Ì Vi]ÊÛ Ã Ì\Ê

ÜÜÜ° Vi °V ÉÕ V ° Ì

коном Вб. У якому положенні була рамка в початковий момент часу? Який вигляд має залежність ЕРС індукції від часу? Яка частота обертання рамки? Чому дорівнюють максимальні значення ЕРС та магнітного потоку?

199.З якою метою у трансформаторах котушки первинної і вторинної обмоток одягають на замкнене феромагнітне осердя?

200.Обмотку підвищувального трансформатора зроблено із дроту різного діаметру. В якій із обмоток, первинній чи вторинній, діаметр дроту більший?

201.Що може трапитись, якщо трансформатор, призначений для експлуатації в мережі змінного струму 220 В, приєднати до джерела постійного струму такої ж напруги?

202.Первинну обмотку знижувального трансформатора з коефіцієнтом трансформа­ ції 8 увімкнено в мережу з напругою 220 В. Опір вторинної обмотки 2 Ом, а сила струму в ній 2 А. Визначте ЕРС, індуковану у вторинній обмотці, та напругу на навантаженні.

203.Підвищувальний трансформатор має коефіцієнт трансформації 0,5. Наванта­ ження споживає потужність 190 Вт при силі струму 0,44 А. Опір вторинної об­ мотки дорівнює ЗО Ом. Яка напруга підведена до первинної обмотки, якщо її опір вкрай малий? Яку потужність споживає трансформатор?

204.Трансформатор радіоретранслятора навантажений 400 гучномовцями, кожен з яких споживає струм силою 8,3 мА при напрузі ЗО В. Напруга на його первинній обмотці дорівнює 480 В. Напруга на вторинній обмотці в режимі холостого ходу дорівнює ЗІВ . Який опір вторинної обмотки? Яка сила струму в первинній обмотці трансформатора?

205.Теплова електростанція на виробництво електроенергії 1 кВт/год витрачає умовне паливо масою 320 г. Який ККД електростанції? Питома теплота згоряння умовного палива 29 МДж/кг.

206.Електростанція передає потужність 2 ГВт під напругою 500 кВ. Визначити опір лінії електропередачі, якщо її ККД 96 %.

207.Місцева електростанція передає в лінію потужність 500 кВт. Які втрати потуж­ ності в лінії та який її ККД, якщо вона працює під напругою 20 кВ, а її опір 20 Ом?

Контрольні запитання

1. Джеймс Максвелл стверджував, що електричний струм — це те, що створює магнітне поле. Як це твердження слід розуміти?

2.У досліді Ерстеда магнітна стрілка Не притягується до провідника зі струмом і не відштовхується від нього, а лише повертається. Яка важлива особливість ліній магнітної індукції випливає з цього факту?

3.Із виразу для модуля сили Лоренца отримайте вираз для модуля сили Ампера.

4.Є два види сталі: одна з великою залишковою індукцією, друга — з по­ рівняно незначною. Яка з них більше придатна для виготовлення постійних магнітів, а яка для осердь трансформаторів? Чому?

5.Запропонуйте який-небудь нескладний спосіб стирання інформації, за­ писаної на магнітну стрічку або плівку.

6.Замкнений контур провідника рухається в неоднорідному магнітному полі вздовж ліній магнітної індукції поля. Доведіть, що ЕРС індукції в цьо­ му випадку не дорівнює нулю.

7.Чи залежить ЕРС індукції в рухомому провіднику, що перетинає лінії магнітної індукції, від його опору? А сила струму? Чому?

8. Навколо провідника зі струмом виникло магнітне поле. Що є джерелом енергії цього поля?

9. Як — послідовно чи паралельно — з'єднані між с о б о ю проводи двопровідної лінії електропередачі?

10. Як добути у вторинній обмотці трансформатора постійний електричний струм?

11. Опір вторинного кола трансформатора зменшують. Як відіб'ється це на ККД трансформатора? Чому? Опори котушок мізерно малі.

12. При однакових напругах втрати на коронний розряд у лініях постійного струму менші, ніж у лініях змінного струму. Чому?

Що я знаю і вмію робити

Я вмію використовувати співвідношення між фізичними величинами під

час розв'язування фізичних задач

1.До кінців прямолінійного мідного провідника з площею поперечного перерізу 2 мм2 прикладено напругу 6 В. Визначте найбільшу силу, з якою однорідне магнітне поле індукцією 100 мТл може діяти на цей провідник.

2.Яку роботу виконує однорідне магнітне поле з індукцією 20 мТл під час переміщення в ньому прямого провідника завдовжки 50 см на відстань 10 см,

якщо по ньому проходить струм силою 10 А? Переміщення відбувається в напрямку дії сили Ампера, а провідник весь час утворює з вектором магнітної індукції кут 30°.

3. Магнітний потік через кожні 100 одна­ кових витків котушки становить 200 мВб. Під час його рівномірного зменшення впродовж 5 мс у котушці виникає ЕРС 400 В. До якого значення зменшується магнітний потік?

4. Магнітний потік через контур замкне­ ного провідника опором 100 мОм за 5 с змі­ нюється на 20 мВб. Яка сила струму, що про­ тікає у провіднику під час цієї зміни, якщо

Я знаю, як взаємодіють між собою провід­ ники зі струмом

6.На мал. 99 показано котушки, кінці обмо­ ток яких досить довгі і закріплені в спеціальних затискачах. З'єднання кінців котушок з джере­ лом струму наведено на мал. 99, а. Визначте ха­ рактер взаємодії котушок і намалюйте в зошитах схеми їхніх магнітних полів.

7.На мал. 99, изображено дві котушки А і В. Між котушками підвішена на тонких гнучких провідниках котушка С. В середині цієї котушки закріплена стрілка. Визначте положення цієї стрілки при виникненні струму в усіх котушках.

Язнаю, як побудований трансформатор, вмію пояснювати, як він працює

8.Чи може трансформатор: а) мати одну первин­ ну обмотку і кілька вторинних; б) змінювати на­ пругу постійного струму; в) підвищувати напругу одночасно зі збільшенням сили змінного струму?

12. Первинну обмотку знижувального трансформатора з коефіцієнтом трансформації 10 увімкнено в мережу з напругою 220 В. Опір вторинної об­ мотки 4 Ом, а сила струму в ній З А. Визначте ЕРС, індуковану у вторинній обмотці, та напругу на навантаженні.

13. Коефіцієнт трансформації підвищувального трансформатора дорівнює 0,5. Вторинна обмотка має опір 0,2 Ом, а опір навантаження 10,8 Ом. Напру­ га на навантаженні становить 216 В. Якою напругою живиться трансфор­ матор? Яка сила струму в первинній обмотці? Який ККД трансформатора?

В а р і а н т І

1. Силовою характеристикою магнітного поля є

A. вектор магнітної індукції. Б. магнітна проникність. B. магнітний потік. Г. сила Лоренца. Д. сила Ампера.

2.Сила Лоренца — це сила, з якою магнітне поле діє на

А. електричний заряд, що рухається.

Б. провідник зі струмом.

В. нерухомий електричний заряд. Г. постійний магніт.

Д. нейтральну частинку, що рухається.

3.Визначте напрям сили Лоренца, яка діє з боку магнітного поля на рухомий негативний заряд q. Вектор магнітної індукції напрямлений від нас, перпендикулярно до площини малюнка, вектор швидкості руху заряду лежить у площині малюнка.

A. Вниз. Б. Вгору. B. Вправо. Г. Вліво.

Д. До нас.

4.Куди напрямлена сила Лоренца, з якою магнітне

поле постійного магніту діє на рухомий електрон? Вектори індукції магнітного поля і швидкості час­ тинки взаємно перпендикулярні і лежать у площині малюнка.

А. Вгору. Б. Вліво. В. До нас. Г. Від нас. Д. Вправо. 5. Який з варіантів відповідає картині силових

ліній магнітного поля прямолінійного провідника зі струмом?

6.Провідник, по якому тече струм силою 5 А, розміщений у магнітному полі з індукцією 10 мТл. Кут між напрямом сили струму і вектором магніт­ ної індукції поля становить 60°. Визначте довжину провідника, якщо поле діє на нього з силою 20 мН.

А. 0,12 м. Б. 120 см. В. 0,46 м. Г. 4,6 см. Д. 0,46 см.

7.Електрон влітає в однорідне магнітне поле індукцією 10~3 Тл зі швид­ кістю 100 км/с перпендикулярно до силових ліній поля. Визначте силу, яка діє на електрон з боку магнітного поля.

8.Який магнітний потік створюється магнітним полем Землі через під­ логу площею 25м2 , якщо вертикальна складова вектора індукції цього поля 50 мкТл?

А. 2 мкВб. Б. 0. В. 1,25 мВб. Г. 0,5 мкВб. Д. 2,5 мВб.

9.При переміщенні провідника довжиною 80 см зі струмом силою 20 А в однорідному магнітному полі з індукцією 1,2 Тл перпендикулярно до нього виконано роботу 1,92 Дж. Визначте переміщення провідника.

А. 1 м. Б. 1 см. В. 10 м. Г. 0,1 м. Д. 0,1 см.

10.Максимальний обертальний момент, який діє на рамку площею 1 см2, розміщену в магнітному полі, дорівнює 2 мкН • м. Сила струму, що проходить

урамці, становить 0,5 А. Визначте індукцію магнітного поля.